Codigestão anaeróbia de melaço e torta de filtro de cana-de-açúcar em reatores UASB em série: efeitos da carga orgânica volumétrica e adição de biochar

Abstract

A codigestão anaeróbia mesofílica do melaço de cana-de-açúcar, em combinação com a torta de filtro como suplemento de nutrientes, se revela uma opção viável para a recuperação de energia na forma de metano. No entanto, o melaço é propenso à acidificação, exigindo estratégias para evitar o colapso do sistema. Neste estudo, foram operados dois reatores anaeróbios de fluxo ascendente com manta de lodo (UASB, R1 e R2) em série, com aumento gradual da COV de 1,7 até 19,4 g DQOtotal (L d)-1 no R1, nas fases I a V. As produções volumétricas de metano chegaram a 2,03 L CH4 (L d)-1, com concentração de metano no biogás de até 76%. A tendência de acidificação indicou a necessidade de medidas de controle, resultando na retirada da recirculação do efluente do R2 para gerenciar os níveis de AVT. A adição de biochar da torta de filtro otimizou o desempenho do sistema na fase V, melhorando a conversão dos ácidos, na capacidade de tamponamento, no aumento da massa microbiana e consequentemente na produção de biogás. A torta de filtro como cosubstrato manteve a relação DQO:N:P próximas a proporção teórica, de 350:5:1, recomendada para a digestão anaeróbia. A recuperação de energia do melaço de cana-de-açúcar para produção de metano foi de 14,8 MJ L-1, superior quando comparado a produção de etanol, com 7,8 MJ L-1. A análise taxonômica do lodo revelou a presença dos gêneros Methanobacterium, Methanosarcina, e Methanosaeta para produção de metano. Esses resultados destacam a eficácia da codigestão anaeróbia para a conversão de melaço em metano e reforçam a necessidade de estratégias de controle para maximizar a eficiência e a estabilidade do processo, sendo uma solução sustentável para a valorização de resíduos agroindustriais e a recuperação de energia renovável.

Mesophilic anaerobic co-digestion of sugarcane molasses, combined with filter cake as a nutrient supplement, proves to be a viable option for energy recovery in the form of methane. However, molasses is prone to acidification, requiring strategies to prevent system collapse. In this study, experiments were conducted using upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactors (R1 and R2) in series, with a gradual increase in organic loading rate (OLR) from 1.7 to 19.4 g total COD (L d)⁻¹ in R1, in phases I to V. Methane production reached up to 2.03 L CH4 (L d)⁻¹, with methane concentrations in biogas as high as 76%. The acidification trend indicated the need for control measures, leading to the removal of effluent recirculation from R2 to manage volatile fatty acid (VFA) levels. Adding biochar derived from filter cake optimized system performance by improving acid conversion, buffering capacity, microbial biomass, and consequently, biogas production. Filter cake as a co-substrate maintained the COD:N:P ratio close to the theoretical proportion of 350:5:1, recommended for anaerobic digestion. The energy recovery from sugarcane molasses in the form of methane (14.8 MJ L⁻¹) was significantly higher compared to ethanol production (7.8 MJ L⁻¹). Taxonomic analysis of the sludge revealed the presence of the genera Methanobacterium, Methanosarcina, and Methanosaeta, which are crucial for anaerobic digestion.These results highlight the effectiveness of anaerobic co-digestion for converting molasses into methane and emphasize the need for control strategies to maximize process efficiency and stability. This approach stands out as a sustainable solution for the valorization of agro-industrial waste and renewable energy recovery.